铍小球压缩力学性质的模拟研究

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1、铍小球压缩力学性质的数值模拟研究雷仙华南师范大学物理与电信工程学院.广东广州510006ThemechanicalpropertiesofberylliumpebblesbynumericalsimulationresearchLeiXianSchoolofphysicsandtelecommunicationengineering,SouthChinaNormalUniversityGuangzhou,Guangdongprovince,China.510006Abstract:Berylliumhasbeenprai

2、sedbyextensiveresearch.Thecurrentinternationalpopularchooseberylliumpebblesforuseasneutronmultiplierinthethermonuclearfusionreactorcladding.Theresearchonthemechanicalpropertiesofberylliumpebblesisofgreatsignificance.Wecananalyzeitsmechanicalperformanceundercompre

3、ssionbynumericalsimulation.Accordingtotheresearch,thestressandstrainofthepebblesarerelationshipwithitsdiameterandthepointload,whichdecreaseswithincreasingdiameter,butincreaseswithloadincreasing.Whatismore,berylliumpebbleshavehighyieldstrength.Keywords:berylliumpe

4、bbles;load;Stressandstrain;摘要：铍一直备受广泛的研究，目前国际上普遍选择铍小球作为热核聚变反应堆包层的中子倍增材料，对铍小球力学性质的研究具有重要意义。通过对铍小球进行压缩数值模拟，分析其力学性能。研究表明：铍小球的应力应变和小球的直径和压力大小有关，应力应变随直径的增大而减小，随压力的增大而增大。铍小球具有较高的屈服强度。关键词：铍小球；载荷；应力应变；1.前沿铍具有诸多优越的物理、力学性能，主要表现为：铍的密度小（1.842g/cm^3），弹性模量高,比强度较高。铍具有高溶点、高导热率、高

5、比热容等热学性能。铍的x射线穿透率非常高，热中子吸收率低。这些优越物理力学性能，使铍在航空航天、惯性导航、射线器件、核工业等高新技术和国防领域得到了越来越多的不可替代的应用。金属Be的核性质十分优异，具有所有金属中最大的热中子散射截面(6.1barn)，且Be原子核质量小，能降低中子速度而不损失中子能量，是很好的中子反射材料和减速剂。Be中子在核中的结合能小(1.666MeV)，在能量粒子(中子、质子、(γ射线)的轰击下，很容易释放出中子，可以用Be来做中子源增殖剂.Be的核应用始于二战期间，并在20世纪50年代末期得到

6、了较大的发展，特别是在小型核动力反应堆中，作为点火控制装置。［1-4］铍小球的主要用途是在未来空间反应堆和国际热核聚变反应堆（Internationalthermonuclearexperimentalreactor,ITER）包层上，作为中子倍增剂。[5-7]国内外已有不少金属铍的变形行为的研究，主要集中在铍材拉伸，压缩性能方面，但是对于铍小球力学性质的研究是缺乏的。许德美等人分析了国内外铍和含铍材料的研究进展以及组织缺陷对金属铍室温下拉伸断裂行为的影响。[8-9]邱志聪等人分析了温度对圆柱形铍材力学性质的影响，和金属

7、铍的压缩变形行为，结果表明铍的屈服强度和加工硬化行为随应变率的提高而增大，随温度的升高而降低。[10-11]20世纪90年代，美国和日本开始了铍小球的研制，目前国际上铍小球的研制工艺比较成熟，它的尺寸为2mm左右[12]。对铍小球力学性质的分析非常的有意义。2.数值模拟方法本文中利用COMSOL软件模拟的方法开展铍小球在室温中，不同压缩载荷的应力、应变、屈服和小球直径的关系研究。我们以直径为0.2-2mm的多晶铍小球作为研究的对象，铍小球作为中子倍增材料，应用于核反应中。核反应中需要控制反应速率，因此不应该大规模密集使用

8、其他粒子轰击铍小球使其释放中子。由此铍小球受到各种粒子的碰撞，可视为单个粒子的碰撞情况。我们考虑单粒子碰撞过程，受到粒子碰撞可以看成一端固定，另一端受到一个压应力作用的模型。3.结果与讨论考虑铍小球的尺寸比较小，较小的力点作用在铍小球上产生了很大的应变，另外在核反应中碰撞所产生的撞击力不大，所以我们考虑小载荷作用力下